JP4223566B2

JP4223566B2 - Gamma ray detector

Info

Publication number: JP4223566B2
Application number: JP54062498A
Authority: JP
Inventors: ブリマン、ダグラス
Original assignee: ブリマン、ダグラス
Priority date: 1997-03-14
Filing date: 1998-03-13
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2018-03-13
Also published as: EP0966692A4; EP0966692B1; AU6552298A; WO1998041884A1; DE69816598D1; AU756410B2; CA2283059C; CA2283059A1; JP2001516454A; US6100532A; EP0966692A1; DE69816598T2

Description

本願は、１９９７年３月１４日付け米国特許出願第６０／０４０５７２号に基づく優先権を主張する。
本発明は、ガンマ線相互作用位置を検出するガンマ検出装置に関する。被走査体像を作成するように、複数の検出器を配列する。具体的には、各相互作用のＸＹＺ３次元空間座標を、必要なら相互作用を誘発するガンマ線の角度をも検出するガンマ検出装置に関する。
発明の背景
ガンマ線検出装置は、例えばポジトロンＣＴ（ＰEＴ）、断層シンチグラフィー、爆発物検知器など、多様な装置に使用されている。これらの装置は、いずれも部分的には、検出器とのガンマ線の相互作用位置を検出できる検出器に依存している。即ち、複数の位置測定値に基づいて、被検体の走査が可能になる。この技術は当業者にとって公知であるから、ここでは詳細な説明を省く。
この種の検出装置に共通の難点は、走査のために多数の検出器が必要であり、これらの検出器とのガンマ線相互作用位置を検出しなければならないことである。従って、被検体の正確な走査像を作成するのに充分なデータを得るには、夥しい回数の、例えば、数百万回の分析が必要となる。個々の検出器は、ガンマ線相互作用の位置データを作成できるものでなければならないから、この位置データを例えばコンピューターによって得て、コンパイル処理するには、極めて複雑かつ高価な装置が必要となる。多くの場合、ガンマ線が検出器のシンチレーター物質と相互作用するのに伴なってシンチレート物質中に起こる発光が、検出器データの起因となる。発光が起こった検出器を特定し、この検出器中の発光位置を検出することによって、走査のためのデータ・ポイントが得られる。用途によっても異なるが、数千にも及ぶ多数の検出器を配列することによって初めて夥しいデータ・ポイントが得られ、コンピューターによるコンパイル処理によって被走査体像が得られる。
典型例としては、4基の光検出器に一連のシンチレーション検出器を連携させ、これらシンチレーション検出器における発光を光検出器によって検出するものがある。発光位置の検出には、論理演算回路を使用すればよい。しかし、周知のように、光検出器、論理演算回路および関連の制御回路と信号装置から成るモニター装置は、特に、所要の走査に多数の検出器が必要な場合、極めて複雑な構成になる。
しかも、このようなガンマ線走査装置に使用される検出器として使用されるのは、無機の結晶シンチレート物質、例えば、セリウムでドーピング処理したオキシオルト珪酸ルテチウム（ＬＳＯ）やビスマス・ジャーミネート（ＢＧＯ）などであり、いずれも高価である。この結晶は、発光するシンチレート物質であるので、ガンマ線の相互作用位置を検出することができる。このような検出器のＸＹ位置分解能は多くの場合、20ｍｍ²であり、すべての位置で一律でないのが普通である。従って、検出器のどの位置で、即ち、いかなるＸおよびＹ座標において相互作用が起こったかを正確に知ることができないという基本的な不正確さが残る。また、相互作用の深さ、即ち、Ｚ座標は検出できないか、できても不明確であるから、いわゆる視差エラーなどを伴う不正確な画像となる。これらの問題は被検体の走査画像に必要な精度の達成を不可能にする。
以上の説明から明らかなように、低コストで製造でき、必要なデータを得るのに極めて簡単なモニター手段しか必要とせず、ガンマ線相互作用のＸＹＺ座標を検出できるガンマ線検出装置を提供できれば極めて有益である。
発明の概要
極く少数のモニター計器から成る単一の装置（一括して読み出しチャンネルと呼称）によって、多数の検出器をモニターできるように改良されたガンマ線検出器を提供できる所見を得た。この所見によれば、検出器群に必要なモニター計器の総数及び複雑さを、公知検出装置の場合に比較して遥かに軽減できる。その上、本発明の検出装置は、ガンマ線と検出器との相互作用位置を示すＸＹＺ座標を検出することができ、これらの座標が、ガンマ線走査画像のコンパイル処理に必要である従来よりも正確なデータ・ポイントを提供する。
本発明は、いくつかの基本的及び副次的所見に基づく。第１に、ガンマ線と相互作用するシンチレーターとして作用する検出器の材料として、結晶性物質を使用するのではなく、不活性コンバーター（公知技術では発光しない物質）を使用することによって、ガンマ線を捕捉してこれを荷電粒子に変換し、この荷電粒子を利用してＸＹ位置を検出できるとの所見を得た。
同じく基本的な所見として、公知技術のように結晶シンチレート物質を使用してガンマ線相互作用位置を検出するのでなく、コンバーターによる変換で発生した荷電粒子のＸＹ座標を、前記荷電粒子と相互作用する２次元座標位置検出器を利用して検出できることが判明した。これによって検出装置全体を、著しく簡略化することができる。
同じく基本的な所見として、コンバーターによって荷電粒子を発生させることによって、コンバーター中に起こるガンマ線相互作用を、小さい発光シンチレーターを利用して信号化できることが判明した。シンチレーターは結晶物質である必要はなく、極くありふれた安価な材料、たとえば、透明シンチレーター・プラスチックなどでよく、その形態はプレート、ロッド、特に、可撓性のファイバーなどから選択すればよい。ファイバーの場合は、１つに束ねて単一の光検出器モニターにすることができ、複数の検出器からのファイバー束をこの単一光検出器によってモニターできる。
重要な発見として、シンチレーター中に発生した光の存在を信号化して出力するのに信号装置を利用することができ、この信号装置が、種々の位置検出器を作動させたり非作動状態にしたりするように構成すればよい。これにより、ガンマ線との相互作用によって、どの検出器が作動したのかを、従って、そのＸＹ座標を、極めて簡単なモニター装置で検出できる。Ｚ座標は検出位置のガンマ線入射方向に沿った点によって与えられる。
要約すれば、本発明は、ガンマ線相互作用位置を検出するためのガンマ線検出装置を提供する。この検出装置は、少なくとも１つのモジュールを有し、各モジュールは、ガンマ線を荷電粒子に変換するコンバーターを有する。コンバーターの変換作用で発生した荷電粒子に応答して発光するシンチレーターを設ける。シンチレーターが発光すると、これを光検出器が検出する。位置検出器と相互作用する荷電粒子のＸＹＺ座標を検出する２次元座標位置検出器を設ける。光検出器中で放出される光の存在を信号化して出力し、位置検出器を作動させる制御・信号装置を設ける。
【図面の簡単な説明】
図1は、本発明の検出装置を模式化して示す断面説明図である。
図2は、単一光検出器によってモニターされるように束ねたシンチレーター・ファイバーを有する本発明の検出器を示す斜視図である。
図3は、各検出器が共通のセンターラインを有する検出器列を示す斜視図である。
図4は、検出器列へのガンマ線入射角を、本発明の検出器列が検出する態様を示す説明図である。
図5は、9ＭeＶのガンマ線に対する位置分解能のヒストグラムである。
図6は、ガンマ線で被検体を走査する検出器列の構成を示す説明図である。
図7は、図1に示したモニター装置（読み出しチャンネル）のブロックダイヤグラムである。
好適実施例の説明
図1は、本発明の要部を模式的に示す断面説明図である。これらの要部を一括してモジュールと呼ぶ。複数のモジュールをまとめてモジュール列を形成し、これをガンマ線の方向、即ち、Ｚ方向に積み重ねることができる。モジュール1は、主要素子として、ガンマ−線3を荷電粒子4に変換するコンバーター2を有する。コンバーター2が発生させる荷電粒子4に応答して、シンチレーター5が発光する。シンチレーター5が発光すると、光検出器6がこれを検出する。位置検出器7と相互作用する荷電粒子のＸＹ座標を２次元座標位置検出器7が検出する。制御・信号装置（読み出しチャンネル）8が光検出器中で放出される光の存在を信号化して出力する。
従って、制御・信号装置8以外では、コンバーター2、シンチレーター5及び２次元座標位置検出器7が、モジュールの主要素子である。この3つの素子をサンドイッチして、モジュール1を構成する。図3では、複数のモジュール1が1列に配列されているが、この配列については詳しく後述する。
図2の実施例では、シンチレーターは複数の可撓プラスチック・シンチレーター・プレート、ロッド、ファイバー２０等から成る。これらのシンチレーター20は、端部21において束ねられ、単一光検出器6によってモニターされる。公知技術とは異なり、本発明では、シンチレーター・ファイバー20は、コンバーター2と荷電粒子との相互作用に起因する荷電粒子のＸＹ位置を検出するのに利用されることはない。即ち、シンチレーター5中で発光させて、光検出器が検出できる光信号を発生させるのに利用されるだけである。光検出器6から発生する電気信号は、詳しくは後述するように、制御・信号装置8の機能をトリガーするのに利用される。
２次元座標位置検出器7としては、多様な公知座標位置検出器を使用する事ができる。例えば、ガス・ゲイン・イオン化検出器、マルチワイヤー比例検出器、マイクロストリップ検出器、マイクロギャップ・チェンバー検出器、タイム・プロジェクション・チェンバー検出器等である。但し、好ましい位置検出器はガス・ゲイン・イオン化ドリフト検出器、特にこの場合には、アバランシュ・ゲイン比例ドリフト・チェンバー検出器が好ましい。２次元座標位置検出器として最も好ましいドリフト・チェンバー検出器を図1に示した。上述した種々の検出器の作用は公知である（例えば、フィジカルレビューディー、１９９６年７月１日、米国物理学会５４巻１号（Physical Review D,July 1,1996,The American Physical Society,Vo1.54,No.1））。従って、ここでは詳しい説明を省き、説明のため、最も好ましい実施例だけを取り上げる。
図1に示すように、ガンマ線3は、コンバーター2において荷電粒子（電子−陽電子ペアまたはコンプトン電子）に変換される。これら荷電粒子は、詳しくは後述するように、極めて簡単なシンチレーター中に発光を起こさせることができ、放出された光は、後述するように信号形成及び制御のため光検出器によって感知される。荷電粒子は、ドリフト・チェンバー10にイオン化可能ガス9が充填されている位置検出器７に入る。荷電粒子は、イオン化可能ガスからイオン化電子を形成する。最初のイオン化から陽極までのドリフト・チェンバー10におけるイオン化電子のドリフト時間が、ガンマ線3とモジュール1との相互作用Ｘ位置の検出に利用される。Ｙ座標は、陰極の誘導電荷に基づいて検出されるが、詳しくは後述する。ガンマ線相互作用のＺ座標は、ガンマ線によって活性化される特定ドリフト・チェンバーの位置によって与えられる。
電界片または電界素子11、11aが、ドリフト・チェンバーの垂直方向［但し、図示の便宜上の垂直方向であって空間的な方向ではない）に沿って電圧勾配を形成する。この電圧勾配が、ドリフト・チェンバー10中にイオン化電子を上向きにドリフトさせる。イオン化電子は、グリッド装置12に遭遇する。グリッド装置12は、常態においてイオン化電子の通過を阻止するようにバイアスされているが、スイッチされるとイオン化電子を透過させる。グリッド装置12としては、一連の荷電ワイヤーの周りに、イオン化電子の通過を阻止するに充分な電界を発生させるだけでもよい。グリッド装置は公知であり（ブリマン他、ニュークリアーインスツルメソッドエイ２３４、１９８５年、４２〜４６ページ（Bryman et al.,Nuc.Instr.Meth.A234（1985）42-46参照））、詳しい説明は省略する。但し、シンチレーター５から光が放出されると、制御・信号装置8と接続している光検出器６中で信号（例えば、電圧）が発生する。シンチレーター５中に光が存在すると、グリッド装置12の電界が、イオン化電子の通過を許すように制御される。詳細は上記ブリマン他（Bryman et al.）の論文に記載されている。
陽極、例えば、20μｍ径の金メッキされたタングステンの細長い陽極ワイヤー13が、グリッド装置12の上方に配置され、シンチレーター5からの発光が光検出器6によって感知されると、グリッド装置12が開いてイオン化電子を透過させる。これも上記ブリマン他（Bryman et al.）の論文に詳しく記述されている。イオン化電子が陽極13に向かって移動し、陽極13に電流を発生させる（この機能については、（ファルダカンツアー他ニュークリアーインスツルメソッドエイ２３５、１９８５年（Fulda-Quenzer et al.,Nuc.Instr.Meth.A235（1985））参照）。
例えば、アルゴン／メタン・ガスを使用する従来のガス・ゲイン・イオン化検出器の場合、電界素子11、11aが発生させる電界の作用下に、電荷粒子４によるイオン化ガス中の電子が上方へドリフトする。ドリフト速度は、例えば、25ｋＶ／ｍの電界ならば約7cm／μsである。例えば、ドリフト・チェンバーの高さが10cmなら、イオン化電子がドリフト・チェンバー内を上昇し、陽極13中に誘導電流を発生させるまでの最大タイム・ラグは約1.4μｓであり、極めて短い。但し、せいぜい数cm程度の極めて低いドリフト・チェンバーを採用すれば、タイム・ラグをさらに短縮することができる。
イオン化電子が、陽極13中に誘導電流を発生させ、その結果、ゲインが著しく増倍（アバランシュ）され、例えば、約5ｘ10⁴に達する。従って、光検出器6がシンチレーター5中の発光を検出し（同時にガス9中にイオン化電子が形成され）てから、陽極13中に電流が検出されるまでのタイム・インターバルを利用することによって、X座標に関して、モジュール1におけるガンマ線相互作用位置を算出することができる（図3参照）。例えば、図1に示すようにガンマ線3がモジュール1のほぼ中点に入射し、その際のタイム・インターバルがAであるとする。もしガンマ線が図1に示す位置よりも低い位置でモジュール1に入射すると、タイム・インターバルはA＋Bとなる。逆に、図1に示す位置よりも高い位置でモジュールに入射すると、タイム・インターバルはA−Bとなる。即ち、光検出器6が発光を感知してから陽極13に誘導電流が発生するまでのタイム・インターバルは、ガンマ線3が発生させる荷電粒子のX座標に比例する。
Y座標が得られるようにするため、一連の導電性陰極14（例えば、ワイヤー、プレート、細片等）をモジュール1に配置する。本発明の重要な利点は、後述するように、陰極を、一連のモジュールと一体に配列できることにある。図3に示すように、陰極14aは、各モジュール１に沿って、モジュールのY方向に順次間隔を保って配列されている。陽極13に発生するイオン化電子のアバランシュによって、陰極の１個または数個またはそれ以上に電流が誘導される。誘導電流を生じた特定の陰極は、該陰極に導入された電荷の存在またはいくつかの陰極に誘導された電荷のパターンによって検出することができ、これによってガンマ線とモジュールとの相互作用のY位置を求めることができる。小さい、例えば、5mmの陰極片または陰極パッドを焼く6mmの間隔で配列すれば、極めて正確な結果が得られる。
言うまでもなく、上記のようにモジュールを作用させるには、電源、電圧調整器、タイマー、電圧・電荷測定装置、及び論理演算回路が必要であり、これら公知の装置を制御・信号装置8に組み込まねばならない。これらの装置は一括して読み出しチャンネルの一部であり、公知であるからここでは詳しく説明しない。
本発明の装置は、コンバータ、シンチレーター及び位置検出器を巧みに組み合わせることによって、それぞれの部材を低コストの材料で形成できる点でも有益である。即ち、コンバーターは、ガンマ線を荷電粒子に変換しさえすればよいから、高密度の物質でさえあればよい。例えば、低エネルギーガンマ線の場合、薄いウォーター・チェンバーでもコンバーターとして機能する。但し、高エネルギーガンマ線の場合、ウォーター・チェンバーを厚くする必要があり、実用に適さない。比較的低エネルギーのガンマ線の場合には、プラスチックやセラミックを使用できるが、より実用的なコンバーターとしては、金属、特に、高密度金属が好ましい。比較的薄くてもコンバーターとして機能するからである。金属の種類は任意であるが、チタン、タングステン、金、銀、銅及び鉛が好ましく、密度が極めて高く安価であるという点で、鉛が特に好ましい。例えば、９MeVのガンマ線の場合、コンバーターとして、0.15mmの鉛で充分である。0.01−2.0mmの厚さで大抵のガンマ−線エネルギーに対応できる。
本発明のシンチレーターは、荷電粒子との相互作用で発光し、この光を透過させるなら、いかなる種類の材質であってもよい。シンチレーターが、例えばBGOのような特殊な結晶体から成り、ガンマ線が直接シンチレーターに作用して発光させる公知技術とは異なり、本発明のシンチレーターは、荷電粒子と相互作用するだけで発光する。したがって、本発明では、公知技術の場合と異なり、広い範囲の材料からシンチレーターの材料を選択できる。即ち、荷電粒子との相互作用で発光する物質が少なくないからである。結晶性の材料もシンチレーター・プラスチックもシンチレーター材料として好ましく、公知技術の結晶体、例えば、BGOであってもよいが、このような高価な材料を使用する必要はなく、もっと安価な、例えばプラスチック・シンチレーターを使用する方が好ましい。多様なプラスチック・シンチレーターが公知であり（上記出版物フィジカルレビュー（Physical Review）に記載されていて、多様な製品がバイクロンオブニューバリー、オハオ米国（Bicron of Newbury,Ohio,U.S.A.）によって製造されている）、ここでは詳細な説明を省く。シンチレーターの好ましい形態は発光シンチレーター・プラスチックである。このようなプラスチック・シンチレーターには他にもいくつかの長所がある。プラスチック・シンチレーターが透明で、細長いファイバー状を呈し、しかも可撓性であれば、図2に示すようにモジュール1から突出しているこれらファイバー20の端部を、図2のように１つにまとめて束21にし、単一光検出器6によってモニターすることができる。図3のように、複数モジュール1からの複数の束21を単一光検出器6によってモニターすることもできる。好ましいプラスチック・シンチレーターは、ポリスチレン系のコアにポリメチルメタクリレート光学被覆を施したものである（General Catalog of Bicron参照）。他の多くの結晶体と比較して、応答時間が短いこともプラスチック・シンチレーターの利点である。
シンチレーターは、図1に示すように、ガンマ線の入射方向に対してほぼ直交していなければならない。但し、本質的には、荷電粒子を捕捉し、光検出器6が検出できるように発光できればよい。シンチレーター６が、プレート状、シート状などの形態であってもよいが、好ましい形態は図1に示すように、隣接ファイバーが順次接触して一列に配列された細長い可撓性ファイバーの形態であるか、または複数列に配列されたこのようなファイバーの形態である。この好ましい形態を採用する場合、複数の隣接するファイバー・シンチレーターを、ガンマ線の方向とほぼ直交する方向に配列し、これら細長いプラスチック・ファイバー・シンチレーターを図2に示すように束ねる。束ねたシンチレーターを単一光検出器6によってモニターする。即ち、複数のシンチレーターの少なくとも一方の端部近傍に、少なくとも１つの光検出器を配置する。同じく図2に示すように、モジュール1の反対端から前記ファイバーと同様なファイバー20Dの束21bを突出させ、後述するような目的で、光検出器6bがモジュール列からの信号を合計し、弁別できるように構成してもよい。
シンチレーターは、発光性シンチレーター・プラスチックなどから成るから、ガンマ線エネルギーが極めて低い場合、ガンマ線とシンチレータ5との直接的な相互作用によって発光させることができる。従って、コンバーター2を設ける必要はない。即ち、ガンマ−線のエネルギー・レベルが極めて低く、シンチレーターが高密度のシンチレーター・プラスチック材から成る場合、シンチレーターがコンバーターの機能を兼ねる。但し、これは特殊なケースであり、本発明の好ましい態様ではない。
本発明では、光検出器として極めて安価な光増倍管またはフォトダイオードを使用してもよい。なぜなら、光検出器の主目的は、シンチレーター5中の発光を検知し、上記グリッド装置12のほか、後述するようなモジュール1の構成部分を作動させるための信号を形成することにあるからである。
図1に示すドリフト・チェンバー検出器は、チェンバー10の一端15近傍から、グリッド装置12の近傍に位置するチェンバー10の反対端16に向かって下降する電圧勾配を有し、前記反対端16の近傍に陰極14、前記グリッド装置12と前記陰極14との間に陽極13を有する。このようなドリフト・チェンバーの構成は公知である（ファルダカンツアー他、ニュークリアーインスツルメソッドエイ２３５、１９８５年、５１７ページ；ブリマン他、ニュークリアーインスツルメソッドエイ２３４、１９８５年、４２ページ；ハーグロブ他、ニュークリアーインスツルメソッド２１９、１９８４年、４６１ページ（Fulda-Quenzer et al.,Nuc.Instr.Meth.A235（1985）,p.517;Bryman et al.,Nuc.Instr.Meth.A234（1985）,42;及びHargrove et al.,Nuc.Instr.Meth.219（1984）,461）参照）。
これに関連して、図3に示す好ましい実施例では、各モジュール1の中心線31が、ほぼ共通の軸線上に来るように、即ち、軸線が中心線31と一致するようにモジュール1の列30を接着剤で接合するか積み重ねる。このようなモジュール列30の好ましい実施例では、各モジュール1の陰極14が、パッドまたは細片14aの形態を呈し、各細片14aを隣接モジュール1の陰極細片14aと接続することによってモジュール列と連携する連続陰極細片を形成する。この構成を採用することによって、極めて低いコストで、モジュール1の列30を製造すると共に、図1に示した光検出器6と制御・信号装置8だけで、図3に示すように一列30に配置した複数のモジュール1に対応することができる。
既に述べたように、グリッド装置12は、光検出器6が検出するシンチレーター5中の発光の有無に応答する信号装置8に応答して、イオン化電子を透過させたり阻止したりする。これも既に述べたことであるが、グリッド装置12は、光検出器6がシンチレーター5中で放出された光を感知しない限り、または、光検出器6による荷電粒子4の発光の検出によって２次元座標位置検出器を作動するよう活性化されるモジュール列における最初の光検出器でない限り、イオン化電子の通過を阻止するようにバイアスされている。この場合、グリッド装置12は帯電を解かれないか、または、その電荷に変化が起こらず、イオン化電子の通過を許さない。
従って、図3に示すように、シンチレーター5から発光すると、各モジュール列における最初の検出器だけが活性化される。もし、シンチレーター5から発光しなければ、このモジュールは不活性のままであり、もし、シンチレーター5から発光しても、モジュールが活性化される最初のモジュールでなければ、このモジュールは不活性のままである。図3において、もし荷電粒子４に変換されたガンマ線3が、モジュールAにおけるシンチレーターを活性化しなければ、このモジュールは不活性のままである。同様に、停電粒子4に変換されたガンマ線3が、モジュールBにおけるシンチレーターを活性化しなければ、このモジュールも不活性のままである。しかし、ガンマ線3によって発生する荷電粒子4が、モジュールC（最初の活性化モジュールとなる）を活性化すると、光検出器6が制御・信号装置8を介してグリッド装置12を開放し、場合によっては電界素子11、11aを作動させる。その結果、上述したように、モジュールCにおいてガンマ線3に応答してXY位置の測定を可能にする。即ち、モジュールCが最初に活性化されるモジュールであるこの場合、このモジュールがXY位置を検出し、他のモジュールA,B,D,E及びFのモニターは不要である。これによってモニター装置が著しく簡略化され、シンチレーター5、光検出器6及び制御・信号装置8の多重化が可能になる。
特定モジュールを活性化する好ましい態様としては、モジュール列中の最初に活性化されるモジュールの陽極に、イオン化電子による誘導電流が現れる。列中の他のすべてのモジュールの他のすべての陽極には、このような誘導電流は発生せず、したがって、不活性のままである。活性化されるのは１つのモジュールだけであるから、この活性化モジュールだけが信号を出力し、この信号を利用することによって、ガンマ線が発生させた荷電粒子のXY位置を検出することができる。このような構成が、陰極14aを図3に示すように、上述した連続的な細片として形成することを可能にする。この構成はまた、モジュール列の製造を簡略化し、単一または少数のデータ取得・モニター装置（読み出しチャンネル）、即ち、光検出器6及び制御・信号装置8で、図3に示すように、多数のモジュールから成るモジュール列30全体に対応することを可能にする。
本発明の検出装置では、ガンマ線が、モジュール列と相互作用する角度を測定することもできる。荷電粒子とモジュールとの相互作用及びXY測定を模式的に示す図4から明らかなように、もし、モジュール1の列30において4基のモジュールが順次活性化され、それぞれがX及びY座標を測定すると仮定する。次いで、公知の計算により、例えば、モジュールA,B,C,D及びEの相互作用のX及びY座標を求めると、ガンマ線が発生させた荷電粒子がモジュール1の列30と相互作用した角度の算出が可能になる。この場合、後述するように、モジュールごとに別設の陰極片及び読み出しチャンネルが必要になる。
上述したように、陰極14、具体的には陰極片14aへの電荷誘導によって、陰極が相互作用のY座標を決定する。陰極における相互作用位置を表わすY座標は種々の公知装置によって得られる。例えば、A／Dコンバーターでアナログ・パルスの波高を求めることにより、陰極片14aの誘導電荷のセントロイドを得ることによって、陰極片14aにおける相互作用のY位置を検出することができる。誘導電荷のセントロイドは、例えば、陰極片14aの各端における電圧または電流を測定することによって求めることができる。あるいは、公知の弁別器を利用して、電荷が誘導されている陰極片のパターンを求めることもできる。高い精度が要求されない場合、陽極に抵抗線を使用し、各端におけるパルス波高を測定して、そのY位置を算出することによってY座標を求めることができる。さらにまた、端末間のタイミング情報を利用して、陽極線に沿ったどの部分に電荷が誘導されたかを検出することによってY座標を求めることができる。
シンチレーターが、公知のシンチレーター・プラスチック（例えば、クラレエス・シー・エス・エヌ３８（Kuraray SCSN-38）を使用した上記プラスチック・ファイバーである場合、これらのファイバーは極めて細く、例えば、その直径は1.0mm程度である。但し、偏平なシンチレーター・プレートまたは細片を使用してもよく、この場合、プレートの端部に取り付けた可撓または成形光ガイドを利用して上記プレートまたは細片を束ねればよい。あるいは、市販の波長シフト・ファイバーまたは細片を利用してもよい。
図3に示すようなモジュール列を使用する場合、第１モジュールの下流側に位置する数基のモジュールも、同時にガンマ線の影響を受ける可能性がある。ところが、ガンマ線相互作用のXYZ座標を求めるには、第１モジュールだけを上述したように活性化する必要がある。この場合、制御・信号装置8に含まれる公知の電子論理回路によって、データ取得を第1モジュールだけに制限することができる。これにより、位置検出器7の読み出しチャンネルを、すべてのモジュールに共通の（多重）構成に組み込むことができる。列30のための読み出しチャンネル（光検出器6及び制御・信号装置8）の作動は、列に含まれるすべてのシンチレーターからの最低レベルのエネルギーによって、または最少数のシンチレーター発光の検知によってトリガーすることができる。この2つのアプローチは、バックグラウンド放射に起因する誤作動を防止することができる。
再び図2に関連して説明する。既に述べたように、束21に纏められたファイバー20を、単一の光検出器6でモニターすることによって、制御・信号装置8を作動させることができる。ファイバー20の両端は、ファイバー20bとしてモジュール1から突出し、光検出器6bによってモニターされる束21bを形成する。（列30を構成する各モジュールに1個ずつの）光検出器6bは、そのタイミングによって、列30中のどのモジュールが最初に活性化したかガンマ線の作用を受けたか）を検出することができる。モジュール列中の最初に活性化したモジュールがこのモジュールのグリッド装置12を開放すると、制御・信号装置8が列中の他のすべてのモジュールを不活性の状態に維持する。
また、第1列に属する第１モジュールのファイバー20b及び束21bを第2列に属する第1モジュール、第3列に属する第１モジュール……というように他の列の第1モジュールと一緒に束ねることによって、複数モジュール列における第1モジュールを単一の光検出器によってモニターすることができる。複数列の第2、第3……モジュールについても同様に構成することができる。このように構成すれば、モジュール列中のどのモジュールが、例えば、第1、第2、第3モジュールが最初にガンマ線によって活性化されたか（作用を受けたか）を検出することによってZ座標を容易に求めることができる。
多重クーロン散乱を考慮しなければならないから、達成可能な位置分解能（XYの検出精度）を左右するのは、コンバーターの厚さと、コンバーターから２次元座標位置検出器までの距離である。但し、厚さ0.15mmの鉛のコンバーター、直径2.0mmのプラスチック・シンチレーター・ファイバー、及び厚さ5.0mmのドリフト・チェンバーを使用して、図3に示すようなモジュール列に9MeVのガンマ線を作用させると、極めて正確な検出が可能である。図5は、実際のガンマ位置に対する検出ガンマ位置のヒストグラムを示す。2.5mm（fwhm＝半値幅）の固有位置分解能を有するドリフト・チェンバーを使用した結果、典型的なガンマ位置分解能は3.5mm（fwhm）であった。１５０基のモジュールに対して、９MeVガンマ線の検出効率は８４%であった。
図6は、複数モジュール列60の説明図である。この場合、モジュール１の複数列60は、各列の中心線が図3に示すように互いに平行となるように、隣接している。各列におけるモジュールの適正な個数は、所定のエネルギーを有するガンマ線アーク63内で被検体を走査するガンマ線供給源61からのガンマ線と相互作用し得るモジュールの最多個数を測定（または算出）することによって決定することができる。すべての列における最初に作用を受ける（活性化される）モジュールを組み合わせ、単一の光検出器で読み出すことができる。モジュールを水平方向にグループ分けしての、各列毎のエネルギー総和も、どの列で相互作用が起こったかを識別できるように設定することができる。活性化されているモジュールのアドレス（列番号、モジュール番号など）と活性化の時間を、公知の電子論理装置を利用して検出すれば、活性化された水平列を検出できる。
制御・信号装置8の詳細は、上記ブリマン他、ニュークリアーインスツルメソッドエイ２３４、１９８５年、４２〜４６ページ（Bryman et al.,Nuc.Instr.Meth.A234（1985）,42-46）に記載されているが、その模式図を図7に示した。図7において、シンチレーター5からの光70は光増倍管／電源71において検出され、その結果発生する電気信号がA／Dコンバーター73、シンチレーター・アナログ加算器74及び弁別器75に入力される。加算器74からトリガー信号が出力され、この信号と弁別器75からの信号とに応答して論理装置76が作動し、種々のモジュール1のグリッド装置12に対する”開放”または”閉鎖”信号を出力する。
本発明のモジュール及び制御・信号装置を構成する素子はいずれも公知であるが、これらの素子が本発明のように検出器モジュールとして組み立てられたことはなかった。本発明は、モジュール列中にあってガンマ線が荷電粒子に変換される最初のモジュールを１回の読み出しで容易に選択でき、高度の読み出しチャンネル共有性（多重化）を可能にすることで、必要読み出しチャンネル数を大幅に減らすことができる。検出器の位置分解能は均一であり、最初のガンマ線相互作用の３次元座標を正確かつ鮮明に求めることができる。モジュールの製造コストが低いから、妥当なコストで広い用途に対応できる。
以上、本発明の実施例を説明したが、付記した請求の範囲を逸脱しない限り、種々の実施態様が可能である。This application claims priority from US patent application Ser. No. 60 / 040,572 dated Mar. 14, 1997.
The present invention relates to a gamma detection apparatus that detects a gamma ray interaction position. A plurality of detectors are arranged so as to create a scanned object image. Specifically, the present invention relates to a gamma detection apparatus that detects XYZ three-dimensional space coordinates of each interaction, and if necessary, the angle of a gamma ray that induces the interaction.
Background of the Invention
Gamma ray detection devices are used in various devices such as positron CT (PET), tomographic scintigraphy, and explosive detectors. Both of these devices rely in part on a detector that can detect the interaction position of the gamma rays with the detector. That is, the subject can be scanned based on a plurality of position measurement values. Since this technique is known to those skilled in the art, a detailed description is omitted here.
A common difficulty with this type of detector is that a large number of detectors are required for scanning, and the position of gamma interaction with these detectors must be detected. Therefore, in order to obtain sufficient data for creating an accurate scanned image of the subject, a large number of analyzes, for example, millions of times are required. Since each detector must be able to generate position data of gamma ray interaction, a very complicated and expensive device is required to obtain and compile the position data by, for example, a computer. In many cases, the emission of light in the scintillate material as gamma rays interact with the detector scintillator material is responsible for the detector data. By identifying the detector where the emission occurred and detecting the emission position in the detector, a data point for scanning is obtained. Depending on the application, a large data point can be obtained only by arranging thousands of detectors, and an image to be scanned can be obtained by a compiling process by a computer.
A typical example is one in which a series of scintillation detectors are linked to four photodetectors, and the light emitted from these scintillation detectors is detected by the photodetector. A logic operation circuit may be used to detect the light emission position. However, as is well known, monitoring devices comprising photodetectors, logic operation circuits and associated control circuits and signal devices are extremely complex, especially when a large number of detectors are required for the required scan.
In addition, a detector used in such a gamma ray scanning apparatus is an inorganic crystalline scintillate material, such as lutetium oxyorthosilicate (LSO) or bismuth germinate (BGO) doped with cerium. Both are expensive. Since this crystal is a scintillate substance that emits light, the interaction position of gamma rays can be detected. The XY position resolution of such detectors is often 20mm ² Usually, it is not uniform in all positions. Thus, there remains a fundamental inaccuracy that it is not possible to know exactly at which position of the detector, i.e. at what X and Y coordinates. In addition, since the depth of interaction, that is, the Z coordinate cannot be detected or is unclear, it is an inaccurate image with a so-called parallax error. These problems make it impossible to achieve the accuracy required for the scanned image of the subject.
As is clear from the above description, it would be extremely beneficial if a gamma ray detection apparatus that can be manufactured at low cost, requires only simple monitoring means to obtain necessary data, and can detect the XYZ coordinates of the gamma ray interaction can be provided. is there.
Summary of the Invention
It has been found that a single device (collectively referred to as the readout channel) consisting of a very small number of monitor instruments can provide an improved gamma ray detector that can monitor a large number of detectors. According to this observation, the total number and complexity of the monitoring instruments required for the detector group can be greatly reduced as compared with the case of known detection devices. In addition, the detection apparatus of the present invention can detect XYZ coordinates indicating the interaction position between the gamma ray and the detector, and these coordinates are more accurate than those required for compiling the gamma ray scanning image. Provides data points.
The present invention is based on several basic and secondary findings. First, as a detector material that acts as a scintillator that interacts with gamma rays, rather than using a crystalline material, an inert converter (a material that does not emit light in the prior art) is used to capture gamma rays. This was converted into charged particles, and the finding that the XY position could be detected using the charged particles was obtained.
Also, as a basic finding, instead of using a crystalline scintillate material to detect the position of gamma ray interaction as in the prior art, the XY coordinates of charged particles generated by conversion by a converter interact with the charged particles. It has been found that it can be detected using a two-dimensional coordinate position detector. As a result, the entire detection device can be greatly simplified.
Also, as a basic finding, it has been found that by generating charged particles by a converter, the gamma ray interaction that occurs in the converter can be signaled using a small luminescent scintillator. The scintillator need not be a crystalline substance, and may be a very common and inexpensive material, such as a transparent scintillator plastic, and its form may be selected from a plate, a rod, particularly a flexible fiber. In the case of fibers, they can be bundled together into a single photodetector monitor, and fiber bundles from multiple detectors can be monitored by this single photodetector.
An important discovery is that a signaling device can be used to signal and output the presence of light generated in the scintillator, which activates and deactivates various position detectors. What is necessary is just to comprise. As a result, it is possible to detect which detector is activated by the interaction with the gamma ray, and therefore the XY coordinates thereof, with a very simple monitoring device. The Z coordinate is given by a point along the gamma ray incident direction of the detection position.
In summary, the present invention provides a gamma ray detection apparatus for detecting a gamma ray interaction position. The detection device has at least one module, and each module has a converter that converts gamma rays into charged particles. A scintillator that emits light in response to charged particles generated by the conversion action of the converter is provided. When the scintillator emits light, this is detected by the photodetector. A two-dimensional coordinate position detector for detecting XYZ coordinates of charged particles that interact with the position detector is provided. A control / signaling device is provided for signalizing and outputting the presence of light emitted in the photodetector and operating the position detector.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional explanatory view schematically showing the detection apparatus of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view of a detector of the present invention having scintillator fibers bundled to be monitored by a single photodetector.
FIG. 3 is a perspective view showing a detector row in which each detector has a common center line.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a mode in which the detector row of the present invention detects the angle of incidence of gamma rays on the detector row.
FIG. 5 is a histogram of position resolution for 9 MeV gamma rays.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a configuration of a detector array that scans a subject with gamma rays.
FIG. 7 is a block diagram of the monitor device (readout channel) shown in FIG.
DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS
FIG. 1 is an explanatory cross-sectional view schematically showing a main part of the present invention. These main parts are collectively called a module. A plurality of modules can be combined to form a module row, which can be stacked in the direction of gamma rays, ie, the Z direction. The module 1 has a converter 2 which converts gamma rays 3 into charged particles 4 as main elements. In response to the charged particles 4 generated by the converter 2, the scintillator 5 emits light. When the scintillator 5 emits light, the photodetector 6 detects this. The two-dimensional coordinate position detector 7 detects the XY coordinates of the charged particles that interact with the position detector 7. A control / signaling device (readout channel) 8 signals the presence of light emitted in the photodetector and outputs it.
Therefore, except for the control / signal device 8, the converter 2, the scintillator 5, and the two-dimensional coordinate position detector 7 are the main elements of the module. The module 1 is constructed by sandwiching these three elements. In FIG. 3, a plurality of modules 1 are arranged in one row. This arrangement will be described in detail later.
In the embodiment of FIG. 2, the scintillator comprises a plurality of flexible plastic scintillator plates, rods, fibers 20, and the like. These scintillators 20 are bundled at the end 21 and monitored by a single photodetector 6. Unlike the prior art, in the present invention, the scintillator fiber 20 is not used to detect the XY position of the charged particles resulting from the interaction between the converter 2 and the charged particles. That is, it is only used to generate light in the scintillator 5 to generate an optical signal that can be detected by the photodetector. The electric signal generated from the photodetector 6 is used to trigger the function of the control / signal device 8, as will be described in detail later.
As the two-dimensional coordinate position detector 7, various known coordinate position detectors can be used. For example, a gas gain ionization detector, a multi-wire proportional detector, a microstrip detector, a microgap chamber detector, a time projection chamber detector, and the like. However, the preferred position detector is a gas gain ionization drift detector, in this case an avalanche gain proportional drift chamber detector. The most preferred drift chamber detector as a two-dimensional coordinate position detector is shown in FIG. The actions of the various detectors described above are well known (eg Physical Review D, July 1, 1996, American Physical Society Vol. 54, No. 1 (Physical Review D, July 1, 1996, The American Physical Society, Vo1. 54, No. 1)). Therefore, a detailed description is omitted here and only the most preferred embodiment is taken for explanation.
As shown in FIG. 1, gamma rays 3 are converted into charged particles (electron-positron pairs or Compton electrons) in a converter 2. These charged particles can emit light in a very simple scintillator, as will be described in detail later, and the emitted light is sensed by a photodetector for signal formation and control as will be described later. The charged particles enter a position detector 7 in which the drift chamber 10 is filled with an ionizable gas 9. The charged particles form ionized electrons from the ionizable gas. The drift time of ionized electrons in the drift chamber 10 from the initial ionization to the anode is used to detect the interaction X position of the gamma ray 3 and the module 1. The Y coordinate is detected based on the induced charge of the cathode, which will be described later in detail. The Z coordinate of the gamma ray interaction is given by the position of the specific drift chamber activated by the gamma ray.
The field pieces or field elements 11, 11a form a voltage gradient along the vertical direction of the drift chamber (however, for convenience of illustration, the vertical direction is not a spatial direction). This voltage gradient causes ionized electrons to drift upward in the drift chamber 10. Ionized electrons encounter the grid device 12. The grid device 12 is normally biased to block the passage of ionized electrons, but when switched, it allows ionized electrons to pass through. The grid device 12 may only generate an electric field sufficient to prevent the passage of ionized electrons around a series of charged wires. Grid devices are known (Briman et al., Nuclear Instrument Method A 234, 1985, pp. 42-46 (see Bryman et al., Nuc. Instr. Meth. A234 (1985) 42-46)), for a detailed description. Omitted. However, when light is emitted from the scintillator 5, a signal (for example, voltage) is generated in the photodetector 6 connected to the control / signal device 8. When light is present in the scintillator 5, the electric field of the grid device 12 is controlled to allow the passage of ionized electrons. Details are described in the article by Bryman et al.
An anode, for example, a 20 μm diameter gold-plated tungsten elongated anode wire 13 is placed above the grid device 12, and when the light emitted from the scintillator 5 is sensed by the photodetector 6, the grid device 12 opens and ionizes. Transmits electrons. This is also described in detail in the above paper by Bryman et al. The ionized electrons move toward the anode 13 and generate an electric current in the anode 13 (for this function (Falda Cantour et al., Nuclear Instrument Method A 235, 1985 (Fulda-Quenzer et al., Nuc. Instr. Meth. A235 (1985))).
For example, in the case of a conventional gas gain ionization detector using argon / methane gas, electrons in the ionized gas due to the charged particles 4 drift upward under the action of the electric field generated by the electric field elements 11 and 11a. . The drift velocity is about 7 cm / μs for an electric field of 25 kV / m, for example. For example, if the height of the drift chamber is 10 cm, the maximum time lag for ionized electrons to rise in the drift chamber and generate an induced current in the anode 13 is about 1.4 μs, which is extremely short. However, the time lag can be further shortened by adopting an extremely low drift chamber of at most several centimeters.
The ionized electrons generate an induced current in the anode 13 so that the gain is significantly increased (avalanche), for example about 5 × 10 10. ^Four To reach. Therefore, by utilizing the time interval from when the light detector 6 detects the light emission in the scintillator 5 (at the same time ionized electrons are formed in the gas 9) until the current is detected in the anode 13, With respect to the X coordinate, the gamma ray interaction position in module 1 can be calculated (see FIG. 3). For example, as shown in FIG. 1, it is assumed that the gamma ray 3 is incident on substantially the midpoint of the module 1 and the time interval at that time is A. If gamma rays are incident on module 1 at a position lower than that shown in FIG. 1, the time interval is A + B. Conversely, if the light enters the module at a position higher than the position shown in FIG. 1, the time interval becomes AB. That is, the time interval from when the light detector 6 senses light emission to when the induced current is generated at the anode 13 is proportional to the X coordinate of the charged particles generated by the gamma rays 3.
A series of conductive cathodes 14 (eg, wires, plates, strips, etc.) are placed in the module 1 so that the Y coordinate can be obtained. An important advantage of the present invention is that the cathode can be integrated with a series of modules, as described below. As shown in FIG. 3, the cathodes 14a are arranged along the modules 1 at intervals in the Y direction of the modules. An avalanche of ionized electrons generated at the anode 13 induces a current in one or several or more of the cathodes. The particular cathode that produced the induced current can be detected by the presence of charge introduced into the cathode or the pattern of charge induced in several cathodes, thereby allowing the Y position of the interaction between the gamma ray and the module. Can be requested. Arranging small, eg, 5 mm cathode pieces or cathode pads at 6 mm intervals will yield very accurate results.
Needless to say, in order to operate the module as described above, a power source, a voltage regulator, a timer, a voltage / charge measuring device, and a logic operation circuit are required. These known devices must be incorporated in the control / signal device 8. Don't be. These devices are collectively part of the read channel and are well known and will not be described in detail here.
The apparatus of the present invention is also advantageous in that each member can be formed of a low cost material by skillfully combining a converter, a scintillator and a position detector. That is, the converter only needs to convert the gamma rays into charged particles, and therefore only needs to be a high-density material. For example, in the case of low energy gamma rays, a thin water chamber can function as a converter. However, in the case of high energy gamma rays, it is necessary to increase the thickness of the water chamber, which is not suitable for practical use. In the case of relatively low energy gamma rays, plastics and ceramics can be used, but as a more practical converter, metals, particularly high-density metals are preferred. This is because it functions as a converter even if it is relatively thin. The type of metal is arbitrary, but titanium, tungsten, gold, silver, copper and lead are preferable, and lead is particularly preferable because it is extremely high in density and inexpensive. For example, in the case of 9 MeV gamma rays, 0.15 mm lead is sufficient for the converter. It can handle most gamma-ray energy with a thickness of 0.01-2.0mm.
The scintillator of the present invention may be made of any kind of material as long as it emits light by interaction with charged particles and transmits this light. Unlike the known technique in which the scintillator is made of a special crystal such as BGO and gamma rays directly act on the scintillator to emit light, the scintillator of the present invention emits light only by interacting with charged particles. Therefore, in the present invention, unlike the case of the known technique, a scintillator material can be selected from a wide range of materials. That is, many substances emit light by interaction with charged particles. Both crystalline materials and scintillator plastics are preferred as scintillator materials and may be known art crystals, such as BGO, but it is not necessary to use such expensive materials, and cheaper, such as plastic It is preferable to use a scintillator. A variety of plastic scintillators are known (as described in the Physical Review publication above), and a variety of products are manufactured by Bikeron of Newbury, Ohio, USA. Detailed explanation is omitted here. A preferred form of scintillator is a light emitting scintillator plastic. Such plastic scintillators have several other advantages. If the plastic scintillator is transparent, has an elongated fiber shape, and is flexible, the ends of these fibers 20 protruding from the module 1 as shown in FIG. 2 are combined into one as shown in FIG. And can be monitored by a single photodetector 6. As shown in FIG. 3, a plurality of bundles 21 from a plurality of modules 1 can be monitored by a single photodetector 6. A preferred plastic scintillator is a polystyrene core with a polymethylmethacrylate optical coating (see General Catalog of Bicron). It is also an advantage of plastic scintillators that the response time is short compared to many other crystals.
As shown in FIG. 1, the scintillator must be substantially orthogonal to the incident direction of gamma rays. However, it is essential only that the charged particles can be captured and emitted so that the photodetector 6 can detect them. The scintillator 6 may be in the form of a plate, a sheet, or the like, but the preferred form is an elongated flexible fiber in which adjacent fibers are sequentially contacted and arranged in a row as shown in FIG. Or in the form of such fibers arranged in multiple rows. When this preferred form is adopted, a plurality of adjacent fiber scintillators are arranged in a direction substantially perpendicular to the direction of gamma rays, and these elongated plastic fiber scintillators are bundled as shown in FIG. The bundled scintillator is monitored by a single photodetector 6. That is, at least one photodetector is disposed in the vicinity of at least one end of the plurality of scintillators. Similarly, as shown in FIG. 2, a bundle 21b of fibers 20D similar to the fiber is projected from the opposite end of the module 1, and for the purpose described later, the photodetector 6b sums the signals from the module row and discriminates them. You may comprise so that it can do.
Since the scintillator is made of a luminescent scintillator or plastic, when the gamma ray energy is extremely low, the scintillator can emit light by a direct interaction between the gamma ray and the scintillator 5. Therefore, it is not necessary to provide the converter 2. That is, when the energy level of gamma rays is extremely low and the scintillator is made of a high-density scintillator plastic material, the scintillator also functions as a converter. However, this is a special case and is not a preferred embodiment of the present invention.
In the present invention, a very inexpensive photomultiplier tube or photodiode may be used as the photodetector. This is because the main purpose of the photodetector is to detect the light emission in the scintillator 5 and to form signals for operating the components of the module 1 as described below in addition to the grid device 12 described above. .
The drift chamber detector shown in FIG. 1 has a voltage gradient descending from the vicinity of one end 15 of the chamber 10 toward the opposite end 16 of the chamber 10 located in the vicinity of the grid device 12, and in the vicinity of the opposite end 16 And an anode 13 between the grid device 12 and the cathode 14. The construction of such a drift chamber is known (Falda Cantour et al., Nuclear Instrument Method A 235, 1985, 517 pages; Briman et al., Nuclear Instrument Method A 234, 1985, page 42; Herglobe et al., Nuclear Instrument Method 219, 1984, p. 461 (Fulda-Quenzer et al., Nuc. Instr. Meth. A235 (1985), p.517; Bryman et al., Nuc. Instr. Meth. A234 (1985), 42; and Hargrove et al., Nuc. Instr. Meth. 219 (1984), 461)).
In this connection, in the preferred embodiment shown in FIG. 3, the rows of modules 1 are such that the center line 31 of each module 1 is on a substantially common axis, ie the axis is coincident with the center line 31. Join or stack 30 with adhesive. In a preferred embodiment of such a module row 30, the cathode 14 of each module 1 takes the form of a pad or strip 14 a and connects each strip 14 a with the cathode strip 14 a of the adjacent module 1. To form a continuous cathode strip that works with By adopting this configuration, the row 30 of modules 1 can be manufactured at a very low cost, and only the photodetector 6 and the control / signal device 8 shown in FIG. It can correspond to a plurality of arranged modules 1.
As already described, the grid device 12 transmits or blocks ionized electrons in response to the signal device 8 that responds to the presence or absence of light emission in the scintillator 5 detected by the photodetector 6. As already described, the grid device 12 is two-dimensional unless the photodetector 6 senses the light emitted in the scintillator 5 or by detecting the emission of the charged particles 4 by the photodetector 6. Unless it is the first photodetector in the module row that is activated to activate the coordinate position detector, it is biased to block the passage of ionized electrons. In this case, the grid device 12 is not uncharged or the charge does not change and does not allow the passage of ionized electrons.
Therefore, as shown in FIG. 3, when light is emitted from the scintillator 5, only the first detector in each module row is activated. If the scintillator 5 does not emit light, this module remains inactive. If the scintillator 5 emits light but is not the first module to be activated, this module remains inactive. It is. In FIG. 3, if gamma rays 3 converted to charged particles 4 do not activate the scintillator in module A, this module remains inactive. Similarly, if the gamma rays 3 converted to power outage particles 4 do not activate the scintillator in module B, this module will also remain inactive. However, when the charged particles 4 generated by the gamma rays 3 activate the module C (becomes the first activation module), the photodetector 6 opens the grid device 12 via the control / signal device 8, and in some cases Activates the field elements 11, 11a. As a result, the XY position can be measured in module C in response to the gamma ray 3 as described above. That is, in this case, where module C is the first activated module, this module detects the XY position, and monitoring of the other modules A, B, D, E and F is unnecessary. This greatly simplifies the monitoring device and allows the scintillator 5, the photodetector 6, and the control / signal device 8 to be multiplexed.
In a preferred mode of activating a specific module, an induced current due to ionized electrons appears at the anode of the module that is activated first in the module row. All other anodes in all other modules in the row do not generate such induced currents and therefore remain inactive. Since only one module is activated, only the activation module outputs a signal, and by using this signal, the XY position of the charged particle generated by the gamma ray can be detected. Such a configuration allows the cathode 14a to be formed as a continuous strip as described above, as shown in FIG. This configuration also simplifies the manufacture of the module array, with a single or a small number of data acquisition and monitoring devices (readout channels), ie a photodetector 6 and a control and signaling device 8, as shown in FIG. It is possible to correspond to the entire module row 30 composed of modules.
In the detection apparatus of the present invention, the angle at which gamma rays interact with the module array can also be measured. As can be seen from FIG. 4, which schematically shows the interaction between the charged particle and the module and the XY measurement, if four modules are activated sequentially in the row 30 of module 1, each measures the X and Y coordinates. Assume that. Next, when the X and Y coordinates of the interaction between modules A, B, C, D, and E are obtained by known calculations, for example, the angle at which the charged particles generated by the gamma rays interact with the row 30 of module 1 is calculated. Calculation is possible. In this case, as will be described later, a separate cathode piece and readout channel are required for each module.
As described above, the Y-coordinate of the interaction of the cathode is determined by the charge induction to the cathode 14, specifically, the cathode piece 14a. The Y coordinate representing the interaction position at the cathode can be obtained by various known devices. For example, the Y position of the interaction in the cathode piece 14a can be detected by obtaining the centroid of the induced charge of the cathode piece 14a by obtaining the pulse height of the analog pulse with an A / D converter. The centroid of the induced charge can be obtained, for example, by measuring the voltage or current at each end of the cathode piece 14a. Alternatively, a known discriminator can be used to determine the pattern of the cathode piece in which the charge is induced. When high accuracy is not required, the Y coordinate can be obtained by using a resistance wire for the anode, measuring the pulse wave height at each end, and calculating the Y position. Furthermore, the Y coordinate can be obtained by detecting in which part along the anode line the charge is induced using the timing information between terminals.
If the scintillator is a plastic fiber as described above using a known scintillator plastic (for example, Kuraray SCSN-38), these fibers are very thin, for example having a diameter of 1.0. However, a flat scintillator plate or strip may be used, in which case the plate or strip is bundled using a flexible or molded light guide attached to the end of the plate. Alternatively, commercially available wavelength shifting fibers or strips may be utilized.
When a module row as shown in FIG. 3 is used, several modules located downstream of the first module may also be affected by gamma rays at the same time. However, in order to obtain the XYZ coordinates of the gamma ray interaction, only the first module needs to be activated as described above. In this case, data acquisition can be limited to only the first module by a known electronic logic circuit included in the control / signal device 8. As a result, the readout channel of the position detector 7 can be incorporated in a (multiplex) configuration common to all modules. Activation of the readout channel (photodetector 6 and control / signaling device 8) for row 30 is triggered by the lowest level of energy from all scintillators contained in the row or by detection of the least number of scintillator emissions Can do. These two approaches can prevent malfunctions due to background radiation.
A description will be given again with reference to FIG. As already described, the control / signal device 8 can be operated by monitoring the fibers 20 collected in the bundle 21 with the single photodetector 6. Both ends of the fiber 20 protrude from the module 1 as a fiber 20b to form a bundle 21b that is monitored by the photodetector 6b. The photodetector 6b (one for each module constituting the row 30) can detect which module in the row 30 is activated first or is affected by gamma rays depending on its timing). . When the first activated module in the module row opens the grid device 12 of this module, the control and signaling device 8 keeps all other modules in the row inactive.
In addition, the fibers 20b and the bundle 21b of the first module belonging to the first row are bundled together with the first modules belonging to the second row such as the first module belonging to the second row, the first module belonging to the third row, and so on. Thus, the first module in the plurality of module rows can be monitored by a single photodetector. A plurality of rows of second, third,... Modules can be similarly configured. This configuration facilitates the Z coordinate by detecting which module in the module row, for example, the first, second, and third modules were first activated (acted) by gamma rays. Can be requested.
Since multiple Coulomb scattering must be considered, the position resolution (XY detection accuracy) that can be achieved depends on the thickness of the converter and the distance from the converter to the two-dimensional coordinate position detector. However, using a lead converter with a thickness of 0.15 mm, a plastic scintillator fiber with a diameter of 2.0 mm, and a drift chamber with a thickness of 5.0 mm, a 9 MeV gamma ray is applied to a module row as shown in FIG. Extremely accurate detection is possible. FIG. 5 shows a histogram of detected gamma positions relative to actual gamma positions. As a result of using a drift chamber with an intrinsic position resolution of 2.5 mm (fwhm = half width), the typical gamma position resolution was 3.5 mm (fwhm). The detection efficiency of 9 MeV gamma rays was 84% for 150 modules.
FIG. 6 is an explanatory diagram of the multiple module row 60. FIG. In this case, the plurality of rows 60 of the module 1 are adjacent so that the center lines of the rows are parallel to each other as shown in FIG. The proper number of modules in each row is determined by measuring (or calculating) the largest number of modules that can interact with gamma rays from a gamma ray source 61 that scans the subject within a gamma ray arc 63 having a predetermined energy. Can be determined. The first activated (activated) module in all rows can be combined and read out with a single photodetector. The total energy for each column, with the modules grouped horizontally, can also be set so that it is possible to identify in which column the interaction occurred. If the address of the activated module (column number, module number, etc.) and the activation time are detected using a known electronic logic device, the activated horizontal column can be detected.
Details of the control / signaling device 8 are described in the above-mentioned Briman et al., Nuclear Instrument Method A 234, 1985, pp. 42-46 (Bryman et al., Nuc. Instr. Meth. A234 (1985), 42-46). However, a schematic diagram thereof is shown in FIG. In FIG. 7, light 70 from the scintillator 5 is detected by a photomultiplier tube / power supply 71, and an electric signal generated as a result is input to an A / D converter 73, a scintillator / analog adder 74, and a discriminator 75. A trigger signal is output from the adder 74, and in response to this signal and the signal from the discriminator 75, the logic unit 76 is operated to output an "open" or "closed" signal to the grid unit 12 of the various modules 1. To do.
The module of the present invention and the elements constituting the control / signal device are both known, but these elements have never been assembled as a detector module as in the present invention. The present invention is necessary by enabling easy selection of the first module in a module row where gamma rays are converted to charged particles with a single readout, and a high degree of readout channel sharing (multiplexing). The number of read channels can be greatly reduced. The position resolution of the detector is uniform, and the three-dimensional coordinates of the first gamma ray interaction can be determined accurately and clearly. Since the module manufacturing cost is low, it can be used for a wide range of applications at a reasonable cost.
Although the embodiments of the present invention have been described above, various embodiments are possible without departing from the scope of the appended claims.

Claims

A gamma ray detection apparatus having at least one module and detecting a position of a gamma ray interaction, the module comprising:
(1) a converter that converts gamma rays into charged particles;
(2) a scintillator that emits light in response to charged particles generated by the converter;
(3) a photodetector for detecting when light is emitted from the scintillator;
(4) a two-dimensional coordinate position detector arranged to measure an X coordinate based on a drift time of ionized electrons, detecting an XY coordinate interacting with a charged particle;
(5) A gamma ray detection device comprising a control / signal device for converting the light detected by the light detector into a signal and operating the two-dimensional coordinate position detector.

The gamma ray detection apparatus according to claim 1 , wherein the converter is a high-density material capable of converting gamma rays into charged particles .

The gamma ray detection apparatus according to claim 2 , wherein the converter is made of metal or plastic.

The gamma ray detection apparatus according to claim 3 , wherein the converter is made of lead.

The gamma ray detection apparatus according to claim 1 , wherein the scintillator is made of a crystal or plastic having a scintillating action.

6. The gamma ray detection apparatus according to claim 5 , wherein the scintillator is in the form of a thin and transparent fiber, is made of a plastic having a scintillating action, and the fiber has flexibility.

Gamma ray detector according to claim 6 having a plurality of adjacent Nchireta arranged in a direction substantially perpendicular to the traveling direction of the gamma ray.

The gamma ray detection apparatus of Claim 7 which has arrange | positioned the photodetector at the edge part of a some scintillator.

The gamma ray detection apparatus according to claim 8 , wherein the ends of the plurality of scintillators are bundled together and one photodetector is disposed in the vicinity of the bundled ends.

With shea Nchireta is formed of a material having a scintillating effect, gamma ray detector according to claim 1, gamma rays also functions as a scintillator converter in the case of low energy.

The gamma ray detection apparatus according to claim 1 , wherein the photodetector is a photomultiplier tube.

Position detectors, gas gain ionization detector, a multi-wire proportional detector, a micro strip blanking detectors, micro gap blanking Chamber detector, or either of the time Bro jection Chamber detector according Item 2. The gamma ray detection apparatus according to Item 1 .

The gamma ray detection apparatus according to claim 12 , wherein the position detector is a gas gain ionization detector.

The gamma ray detection apparatus according to claim 13 , wherein the gas gain ionization detector is a drift chamber detector.

The drift chamber includes: (1) a voltage gradient that decreases from near one end of the chamber toward the other end of the chamber; (2) a grid device provided near the other end of the chamber; and (3) the other end. The gamma ray detection apparatus according to claim 14 , further comprising: a cathode provided near the cathode; and (4) an anode provided between the grid device and the cathode.

The gamma ray detection apparatus according to claim 15 , wherein the light detector passes or blocks ionized electrons by opening and closing the grid device in response to a control / signal device that responds to detecting the presence or absence of scintillator light.

As long as the photodetector does not sense the emission of the scintillator, the grid device is electrically biased to block the passage of ionized electrons, and when the photodetector senses the emission of the scintillator, it electrically changes and The gamma ray detection apparatus of Claim 16 which permits passage.

The charge induced in the cathode, the cathode determines the Y coordinate of the charged particles, the time from the detection of the light emitted in the scintillator until the anode to detect the charge determines the X coordinate of the charged particles according Item 18. A gamma ray detection apparatus according to Item 17 .

The gamma ray detection device according to claim 17 , wherein the control / signal device includes a logical operation device.

The gamma ray detection apparatus according to claim 1, wherein a plurality of modules are arranged in a row such that the center line of each module is positioned on a substantially common axis.

21. The gamma ray detection apparatus according to claim 20 , wherein a continuous cathode common to the module row is formed by connecting a cathode of each module to a cathode of an adjacent module.

21. The gamma ray detection apparatus according to claim 20 , wherein the plurality of module rows are arranged adjacent to each other such that the center lines of the rows are substantially parallel.

In the module row, the control / signal device of the first module that detects the emission of the charged particle is activated to activate the two-dimensional coordinate position detector, and the control / signal devices of all the remaining modules in the same module row are activated. The gamma ray detection device according to claim 21 , which remains inactive.

Single light detector and the control-signal device, gamma ray detector according to claim 23 together are used as the module row.